沉降分离原理及方法.docx

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沉降分离原理及方法

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第二节沉降分别原理及方法

重力沉降

一、球形颗粒的自由沉降

工业上沉降操作所办理的颗粒甚小，所以颗粒与流体间的接触表面相对甚大，故阻力速度增添很快,可在短暂时间内与颗粒所碰到的净重力到达平衡，所以重力沉降过程中，加速

度阶段常可忽略不计。

Fg

Fb

Fd

ma

Fd

Au2

2

或

d3

sg

d3g

d2

u2

d3

sa

6

6

4

2

6

阻力Fd

浮力阻力Fb

重力Fg

当颗粒开始沉降的刹时：

u

0

由于Fd

0a最大

u

Fd

a

当a

0

u

ut——沉降速度“终端速度〞

推

导

得

ut

4gd

s

a0

3

4

d2

u2

d3g

s

2

6

式中：

ut——球形颗粒的自由沉降速度，

ms;

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d——颗粒直径，m;

s——颗粒密度，kgm3;

——流体密度，kgm3;

g——重力加速度ms2;

f

s.Ret

s

——阻力系数，无因次，

s——球形度

s

sp

综合实验结果，上式为表面圆滑的球形颗粒在流体中的自由沉降公式。

滞留区

10

4

Ret1

24

ut

d2

s

g

斯托

18

Re

克斯公式

3

s

g

过渡区

1Ret

ut

d

艾仑

10

Re

Ret

公式

湍流区10

3

Ret210

5

d

s

ut

g

牛顿

公式

dut

Ret

该计算公式〔自由沉降公式〕有两个条件：

1.容器的尺寸要远远大于颗粒尺寸〔比方100倍以上〕否那么器壁会对颗粒的沉降有显然的阻滞作用，〔自由沉降—是指任一颗粒的沉降不因流体中存在其他颗粒而碰到干

扰。

自由沉降发生在流体中颗粒稀松的情况下，否那么颗粒之间便会发生相互影响，使沉降的速度不相同于自由沉降速度，这时的沉降称为搅乱沉降。

搅乱沉降多发生在液态非均相系的沉降过程中。

〕

2.颗粒不能过分细微，否那么由于流体分子的碰撞将使颗粒发生布朗运动。

二、非球形颗粒的自由沉降

ss球面积公式S球4R2R—半径;

sp

S—与颗粒体积相等的一个圆球的表面

积;

Sp—颗粒的表面积m2。

de

3

Vp

Vp-颗粒体积m3;

6

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3

de6Vpde—颗粒当量直径m。

三、沉降速度的计算

1、试差法见讲义例题,计算ut

utRet以判断流型后选计算式，先确定流型求出ut计算出Ref检验

Ret可否吻合假设。

2、摩擦数群法

使及Ret坐标之一变成ut的数群

ut

4gd

s

4d

s

g

又Ret

dut

解得

2

3

3

ut

与Ret相乘可消去ut2

2

4d3

s

g

令

Ret

3

2

查Ret2

~~~Rt图

求Ret2

查Ret

ut

Ret

d

另也可用Ret

1

消去颗粒直径d

Ret

1

de

Ret~~~Ret

ut

四、重力沉降设备

1、降尘室：

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含

净

尘

化

气

气

体

体

尘粒

令l—降尘室长度[m];

H—降尘室高度[m];

b—降尘室宽度[m];

—颗粒沉降速度[m/s];

ut

u—气体在降尘室内水平经过的速度

[m/s];

颗粒沉降时间：

t

H

，

气体经过时间：

l

ut

u

颗粒被分别出来的条件：

t

即l

H

u

ut

令：

VS－降尘室办理含尘气体体

积流量,又称为降尘室生产能力。

气体水平流速：

u

Vs

，代入

l

H

Hb

u

ut

V

blu

t

或

ut

Vs

s

bl

注意；１、ut按需要完好分别下来的最小颗粒计算。

２、u应保证气体流动雷诺准数处于滞流区。

2、悬浮液的沉聚过程

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清液区

等浓度区

变浓度区

沉聚区

D

悬浮液的沉聚过程；属重力沉降，在沉降槽中进行。

固体颗粒在液体中的沉降过程，大

多属于搅乱沉降。

比固体颗粒在气体中自由沉降阻力大。

随着沉聚过程的进行，Ａ，Ｄ两区逐渐扩大，Ｂ区这时逐渐减小至消失。

在沉降开始后的一段时间内，Ａ，Ｂ两区之间的界面

以等速向下搬动，直至Ｂ区消失时与Ｃ区的上界面重合为止。

此阶段中ＡＢ界面向下搬动的

速度即为该浓度悬浮液中颗粒的表观沉降速度u0。

表观沉降速度u0不相同于颗粒的沉降速度

ut，由于它是颗粒相对于器壁的速度，而不是颗粒相对于流体的速度。

等浓度Ｂ区消失后，ＡＣ界面以逐渐变小的速度下降，直至Ｃ区消失，此时在清液区与

沉聚区之间形成一层清楚的界面，即到达“临界沉降点〞,此后便属于沉聚区的压紧过程。

Ｄ区又称为压紧区，压紧过程所需时间常常占沉聚过程的绝全局部。

经过间歇沉降实验，能够获得表观沉降速度u0与悬浮液浓度及沉渣浓度与压紧时间的

二组对应关系数据，作为沉降槽设计的依照。

运动与静止的相对性:

自然界中全部物质都是运动的，我们平时所说的运动与静止都是

相对于不动的物体〔参照物〕而说的，物体相对于参照物发生地址的变化叫运动，不发生位

置变化的叫静止，由于参照物不相同，观察同一物体的运动状态也不相同。

所以运动与静止只有相对的意义。

3、沉降槽的构造与操作

沉降槽分为间歇式和连续式两种：

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料浆

1

2

4

35

溢

7

流

6

底口（排料）

连续式

底流

间歇式

1-进料槽道;2-转动机构;3-料井;4-溢流槽

;5-溢流管;6-

叶片;7-转耙

（1）间歇式；需办理的悬浮液料浆送入槽内，静置足够时间后，即由上部抽出清液而由底口排出稠厚的沉渣。

（2）连续式：

d〔沉降槽的直径几米至几百米〕。

底流：

排出的稠浆称为底流。

4、连续沉降槽的计算

（1）沉降槽的面积

料浆

澄清区（颗粒作自由沉降）

加料口

该层中浓度=料

浆浓度

颗粒作搅乱沉

降

增浓区

底流ec

以加料口为界

加料口以上为澄清区

以下为增浓区。

清液上行至溢流口流出

颗粒与液体

一块下行至增浓区

进行沉聚过程。

假设进入连续沉降槽料浆体积流量为

Qm3s，其中固相体积分率为

ef，底流中固相体

积分率为ec那么：

底流中固相体积流量

f，Q

液

固相体积流量

ef

Q

〔由于牢固

固

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操作,各个不相同深度处浓度是恒定的，所以料浆中固相体积流量必定等于底流中固相体积流

量。

化工生产是牢固的,各个车间工段的设备均是牢固的。

即:

料浆中固相体积流量必定等于底流中固相体积流量〕。

底流中体积流量

f

液相

ec

底流中固相体积流量

ec

底流中

底流的体积流量

固相

令增稠段各个横截面必定有一个整体下行速度

uu

整体

固

整体下行即:

指底流相对于

液

器壁的流速，uu

f

uuA—底流体积流量

m3

suuAec—底流固相体

Aec

积流量m3

s。

在增稠段内任取一个水平截面，设该截面上

固相体积分率为

e

V固

‘

A

’

AH

‘

H—该水平面截面厚度m

，A'—是增

e

AH

A

AAe

V

稠段内固相截面积

m2

，A—是增稠段固液总截面积

m2

。

QefAe

Qef

u0

QefA'ut

ut

uu

u0

u0—表观沉降速度

Aec

举例:

顺水速度=静水速度+水流速度，逆水速度

=静水速度-水流速度，uu是底流整体

相对于管壁的速度，u0是颗粒相对于容器壁面表观沉降速度,即在静止流体中沉降速

度。

Qe

Aeu

u

f

整理得

eQef

0，方程两

f

u

0

代入uu

Qef

Aec

Aeu

ec

边同除u0e移项整理得，A

Qef

1

1

u0

e

ec

11

料浆体积m3

底流m3

水m3

eec

固相m3

固相m3

固相m3

Qef1

1

溢流出水整体积m3

Au0

溢流出水整体积m3

如设容器壁为参

e

ec

照物,那么水向上的流速即为u0

料浆=底流+溢流水

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①假设悬浮液中固相浓度以单位体积内的固相质量

Qef

1

1

C表示时，A

e

变成

u0

ec

A

Qef

s1

1

w

1

1

u0s

eec

u0

ccc

c—任一横截面上的固相浓度，

kg固

〔悬浮液〕

m3

kg固

cc—沉渣中（底渣）固相浓度，

m3

〔底流〕

1

单位

m3

悬浮液

，

1

1

单位

c

kg固

c

se

1

1

公斤〔固〕

固体体积米3

3

增稠段任一截面体积米

3

米〔固〕

s

—固体密度kgm3

1

单

位

sec

1

1

1

公斤〔固〕

3

公斤〔固〕

米〔固〕

3

3

3

底流

米〔固〕

米〔底流〕

米

1

单

位

cc

1

1

1

公斤〔固〕

3

公斤〔固〕

米〔固〕

3

3

米

3

底流

米〔固〕

米〔底流〕

②假设悬浮液中固相浓度以固液质量比的形式表示时：

A

w

（1

1）

u0

C

CC

固〕

；XC—沉渣中固液质量比

X—任一截面上固液质量比kg（

kg（液〕

固〕

kg（

kg（液〕

—悬浮液密度kg（液）m3（液）A

w

（1

1）

u0

X

XC

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kg（液）

1单位kg（液）

单位

m3（液）

kg（液）

X

固

C

kg（

固

kg（固）

kg（

）

）

3固

m

（）

求取最大横截面

A值后,乘以安全系数作为沉降槽的实质横截面积。

对于直径

5m以上

的沉降槽，安全系数为

1.5,对于直径

30m以上的沉降槽，安全系数为

1.2。

（2）沉降槽的高度

沉渣压紧时间常常比料浆到达

临界沉降所经历时间长，故用依照压紧时间来决定沉降

w

槽高度

Ah

w

xc

）r

质量守恒

（

s

由于牢固操作压紧区的高度

h是恒定的，既是恒定、压紧区的容积必等于底流排出沉

渣体积。

w

固相质量流量

液相质量

液相质量流量

w

r

（1

S

）〔3〕

XC

或h

XC

固相质量

A

S

h—压紧区的高度

m；

A—横截面积m2

；

w—底流中间相质量流量，

kg

；

S

固〕

XC—底流中间固、液相质量比，

kg（

；

kg（液〕

h'hh

（1~2）m

h'—沉降槽总高度

m。

（平时要附加约

75%的压紧区的高度作为安全余量

h

0.75,沉降槽的总高度那么等于压

紧区高度加上其他地域的高度

后者可取1～2m）。

离心沉降

2

Fg

mg重力场强度g可视为常数，其方向指向地心。

离心力FC

m

m2R

R

化工FC

muT2

uT2

—惯性离心力场强度

uT〔切线速度〕或

R

FC

R

R

一、惯性离心力作用下的沉降速度

中心外〔径向〕Fc0F向心力F阻力；颗粒直径d，密度s，流体密度

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切向速度uT

惯性离心力

3

uT2

FC

6

dS

R

向心力F向

d

3

uT2

作用在颗粒上的力

6

R

阻力阻

d

2

ur2

F

2

4

重力：

Fg

mg

6

d3

sg

ur—颗粒与流体在径向上的相对速度

浮力：

Fb

d3g

等速是

ur那么被

6

阻力：

Fd

d

2

u2

2

4

称为重力沉降速度。

这三个力到达平衡时，颗粒在径向上相对与流体的速度

ur被称为离心沉降速度。

〔1〕、作用在小球上的力属于惯性离心力

;

〔2〕、流体对颗粒的向心力。

密度为

的流体作匀速圆周运动，有一个向心力，这个力

阻拦小球向外运动;

〔3〕、阻力，假设流体不动，颗粒由内向外运动，碰到流体的阻力。

h/

f

u2

J

kg;

2

pf/

u2

Pa

或N

;

2

m2

阻力hf

A

p/f

d2

ur2

ur—颗粒与流体在径向上的相对运动速度。

4

2

3

uT2

3

uT2

2

ur2

6

ds

R

6

d

R

4

d

0

2

解得：

ur

4d

s

uT2

3

R

1、离心沉降速度

ur

与重力沉降速度

ut的异同

〔1〕相似之处：

公式形式相似;

〔2〕相异之处：

①方向

ut向下

ur向外

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②大小

ut不变〔恒量〕

ur变量R

ur

如104

Re

1

24

代入

u

4d

s

uT2

，

d2

s

uT2

Rer

r

3

R

ur

18

R

dur

参看前式:

d2

s

g

Rer

ur

18

2、分别因数Kc〔同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为：

ur

uT2

〕。

ut

Kc分因数是离心设备的重要指标

gR

一、旋风分别器的构造与操作原理

旋风分别器是利用惯性离心力的作用从气流中分别出含有尘粒的设备。

除尘颗粒直径

d5m以上的颗粒,不合适粘性，湿性、及腐化性粉尘。

颗粒被抛向管壁，动能变静压能、

变成热能，最后沿壁面落入灰斗。

含尘气体由圆筒上部的进气管